具有自旋霍爾mtj器件的交叉點(diǎn)陣列mram的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及存儲(chǔ)設(shè)備的領(lǐng)域，并且具體來說，涉及實(shí)施基于自旋霍爾磁 性隧道結(jié)（MTJ)的器件的交叉點(diǎn)陣列磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM)以及這種陣列的操作方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于過去的幾十年，集成電路中特征的縮放已經(jīng)成為日益增長的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)背后 的推動(dòng)力量?？s放成越來越小的特征使得在半導(dǎo)體芯片的有限面積上增大功能單位的密度 成為可能。例如，縮小晶體管尺寸容許在芯片上并入數(shù)量增加的存儲(chǔ)器件，以使得制造具有 增大容量的產(chǎn)品。然而，推動(dòng)越來越大的容量并不是沒有問題。優(yōu)化每個(gè)器件性能的必要 性變得日益重要。
[0003] 諸如具有非易失性的片上嵌入式存儲(chǔ)器之類的非易失性嵌入式存儲(chǔ)器可以使得 能量和計(jì)算效率得以實(shí)現(xiàn)。然而，諸如自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-MRAM)之類 的領(lǐng)先的嵌入式存儲(chǔ)器的選擇會(huì)在對單元進(jìn)行編程（寫）期間遭受高電壓和高電流密度的 問題。此外，可能是由于大的寫開關(guān)電流而引起的STT-MRAM的密度限制以及選擇晶體管的 要求。特別地，由于要求驅(qū)動(dòng)晶體管提供充足的自旋電流，傳統(tǒng)的STT-MRAM具有單元尺寸 的限制。此外，這種存儲(chǔ)器與基于常規(guī)磁性隧道結(jié)（MTJ)的器件的大的寫電流（>100yA) 和電壓O0.7V)要求相關(guān)聯(lián)。
[0004] 正因如此，在基于MTJ的非易失性存儲(chǔ)陣列的領(lǐng)域中，仍然需要顯著改進(jìn)。
【附圖說明】
[0005] 圖1例示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的巨自旋霍爾效應(yīng)磁性隧道結(jié)（GSHE-MTJ)器件的工作 機(jī)制，其中，（a)所例示出的針對GSHE-MTJ的典型材料疊置體，（b)所例示出的（a)的器件 的俯視圖，以及（c)描繪了如由金屬中的自旋霍爾效應(yīng)所確定的自旋電流和電荷電流的方 向的例示。
[0006] 圖2A例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有與選擇線（SL)、位線（BL)和字線（WL)的 連接的位單元的橫截面視圖，以及器件相對應(yīng)的俯視示意圖。
[0007] 圖2B例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖2A的器件的橫截面視圖，（a)如沿著軸線 a_a'，以及（b)如沿著軸線b-b'。
[0008] 圖3例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有位單元的交叉點(diǎn)陣列的（a)位單元透視圖以 及（b)平面視圖，位單元具有底部AFM層。
[0009] 圖4例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于在交叉點(diǎn)GSHE-MRAM中寫入邏輯1的方 法。
[0010] 圖5例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于在交叉點(diǎn)GSHE-MRAM中寫入邏輯0的方 法。
[0011] 圖6例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在交叉點(diǎn)GSHE-MRAM中讀取位單元的方法。
[0012] 圖7例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有與選擇線（SL)、位線（BL)和字線（WL)的 連接的另一個(gè)位單元的橫截面視圖，以及器件的相對應(yīng)的俯視示意圖。
[0013] 圖8例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖7(a)的器件的橫截面視圖，（a)如沿著軸線 a_a'，以及（b)如沿著軸線b-b'。
[0014] 圖9例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有位單元的交叉點(diǎn)陣列的位單元透視圖，位 單元具有頂部AFM層。
[0015] 圖10例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖9的交叉點(diǎn)陣列的平面視圖。
[0016] 圖11例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在交叉點(diǎn)GSHE-MRAM中寫入邏輯1以避免反 常電流的方法。
[0017] 圖12例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在交叉點(diǎn)GSHE-MRAM中寫入邏輯0以避免反 常電流的方法。
[0018] 圖13例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的讀取交叉點(diǎn)GSHE-MRAM以避免反常電流的方 法。
[0019] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，對于使用基于GSHE或MTJ的寫入機(jī)制的STT開關(guān) 器件，開關(guān)時(shí)間（以ns)隨著所施加的電壓（以V)變化的圖。
[0020] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示出了對于具有4nm厚度的GSHE金屬的變化的納 米磁體寬度，用于基于GSHE和MTJ的磁性存儲(chǔ)器寫入的相對開關(guān)能量的圖。
[0021] 圖16是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的材料和傳輸參數(shù)的表。
[0022] 圖17例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子系統(tǒng)的框圖。
[0023] 圖18例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 描述了實(shí)施基于自旋霍爾磁性隧道結(jié)（MTJ)的器件的交叉點(diǎn)陣列磁阻隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器（MRAM)以及這種陣列的操作方法。在下面的描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)（例如具 體的磁性隧道結(jié)（MTJ)層的域），以便提供對本發(fā)明的實(shí)施例的徹底理解。對本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說將顯而易見的是，沒有這些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。在其它實(shí)例中，并 沒有詳細(xì)描述公知的特征（例如集成工藝制造流程），以使得不會(huì)不必要地混淆本發(fā)明的 實(shí)施例。此外，要理解的是，在附圖中所示出的各個(gè)實(shí)施例是例示的表示，而不是必須要按 比例繪制。
[0025] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例涉及使用自旋霍爾MTJ器件的交叉點(diǎn)陣列MRAM。這種 陣列的通用應(yīng)用包括但不限于嵌入式存儲(chǔ)器、磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)、MRAM、非易失性存儲(chǔ)器、自 旋霍爾效應(yīng)、自旋扭矩存儲(chǔ)器以及使用磁存儲(chǔ)器件的嵌入式存儲(chǔ)器。在一個(gè)實(shí)施例中，使用 本文所描述的自旋霍爾器件，基于MTJ的自旋扭矩MRAM在密度和能量/位上得到了改進(jìn)。
[0026] 更具體地來說，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的目的是使用或應(yīng)用使用交叉連接架構(gòu)的高度 緊湊的巨自旋霍爾效應(yīng)MRAM(GSHE-MRAM)。在第一方面中，通過巨自旋霍爾效應(yīng)（GSHE)使 得低編程（寫）電流和電壓成為可能。在第二方面中，實(shí)現(xiàn)了在每個(gè)位單元中不具有選 擇晶體管的高密度交叉連接架構(gòu)。實(shí)施例包括制造和/或?qū)嵤┰诮徊纥c(diǎn)架構(gòu)中所形成的 GSHE-MTJ單元陣列，并可以涉及交叉連接的自旋霍爾MRAM、使用三層金屬層的位單元版圖 和/或使用GSHE-MTJMRAM的交叉連接的位單元中的一個(gè)或多個(gè)。
[0027] 在一個(gè)方面中，描述了巨自旋霍爾效應(yīng)（GSHE)MRAM交叉連接陣列，巨自旋霍爾效 應(yīng)（GSHE)MRAM交叉連接陣列以基于自旋霍爾效應(yīng)的對磁性元件的編程（寫）以及基于 MTJ的讀出為基礎(chǔ)。為了提供背景，提供了圖1以輔助對巨自旋霍爾MRAM的工作原理的例 示。具體地，圖1例示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的GSHE-MTJ的工作機(jī)制，具有（a)所例示出的針對 GSHE-MTJ的典型材料疊置體100A，（b)所例示出的（a)的器件的俯視圖100B，以及（c)描 繪了如由金屬中的自旋霍爾效應(yīng)所確定的自旋電流和電荷電流的方向的例示。
[0028] 再次參照圖1，示出了具有自旋霍爾效應(yīng)感應(yīng)的寫入機(jī)制和基于MTJ的讀出的3端 子存儲(chǔ)單元的名義上的幾何結(jié)構(gòu)。名義上的材料疊置體100A包括與GSHE金屬104直接接 觸的自由層納米磁體102。名義上的MTJ疊置體由自由層102 (FM1)、氧化鎂隧穿氧化物106、 具有基于CoFe/Ru的合成反鐵磁體（SAF) 110的固定磁體108 (FM2)以及反鐵磁體（AFM) 112 組成。SAF層110容許取消圍繞自由層102的偶極子場。材料的廣泛組合已經(jīng)被研宄用于 這種材料疊置體。例如，寫電極114包括由0-鉭（0-Ta)、0-鎢（0-W)或鉑（Pt)組成 的GSHE金屬。寫電極114轉(zhuǎn)換成正常的高導(dǎo)電率金屬（例如，銅（Cu))，以使得寫電極電阻 最小化。器件的俯視圖100B顯示了磁體沿著GSHE電極的寬度進(jìn)行取向用于適當(dāng)?shù)淖孕?入。
[0029] 再次參考圖1，磁性單元通過經(jīng)由GSHE電極施加電荷電流來寫入。磁寫入的方向 由所施加的電荷電流的方向來確定。正電流（沿著+y)產(chǎn)生了自旋注入電流，具有傳輸方向 (沿著+Z)并且自旋指向（+X)方向。所注入的自旋電流反過來產(chǎn)生自旋扭矩以在+X或-X 方向上與磁體對齊。寫電極中針對電荷電流的橫向自旋電流在等式（1)中提供：
[0030] (1)
[0031] 其中，PSHE是自旋霍爾注入效率，其是橫向自旋電流與側(cè)向電荷電流大小的比率， w是磁體的寬度，t是GSHE金屬電極的厚度，Asf是GSHE金屬中的自旋翻轉(zhuǎn)長度，0 _是 GSHE金屬到FM1界面的自旋霍爾角度。用于自旋扭矩的所注入的自旋角動(dòng)量可以通過首先 解出等式1來確定。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，下面描述了用于GSHE-MRAM交叉連接存儲(chǔ)器的位單元 和陣列。在第一實(shí)施例中，GSHE-MTJ疊置體被提供為反鐵磁體（AFM)是疊置體的底層。也 就是說，在一個(gè)實(shí)施例中，針對GSHE-MTJ的位單元基于在底層中具有AFM層的材料疊置體。 在示例性的實(shí)施例中，GSHE-MRAM位單元通過用于MTJ集成的傳統(tǒng)工藝集成流程來制造。位 單元具有分別連接到選擇線（SL)、字線（WL)和位線（BL)的三個(gè)端子。針對這種布置的寫 入過程使得在BL與SL之間的電流能夠向器件注入自旋電流。讀取過程涉及讀取在SL與 WL之間的隧穿磁阻（TMR)。
[0033] 舉例而言，圖2A例示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有與選擇線（SL)、位線（BL)和 字線（WL)的連接的位單元200的橫截面視圖，以及器件200的